基于LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)

林春花 嚴(yán)海衛(wèi) 徐歡瀟 陳樞茜

摘要：在森林防火監(jiān)測系統(tǒng)中，為了能得到更為準(zhǔn)確、智能化的信息，文章提出了基于低功耗自適應(yīng)簇分層協(xié)議（LEACH） 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由無線傳感器的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，能夠更為準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地掌握森林的動態(tài)信息，能夠有效地防控火災(zāi)。改進(jìn)的LEACH協(xié)議的引入是為了更好地延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，從而達(dá)到更為有效地防控火災(zāi)的目的。改進(jìn)的LEACH協(xié)議從節(jié)點(diǎn)的剩余能量和距離對選舉簇頭的閾值函數(shù)進(jìn)行了修正，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分策略來合理規(guī)范簇的大小。MATLAB的仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)生命周期提高了約31%。LEACH協(xié)議在能量均衡上的優(yōu)越性，節(jié)點(diǎn)在部署上的靈活性，節(jié)點(diǎn)成本低和節(jié)點(diǎn)收集信息的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)在復(fù)雜的森林環(huán)境能夠高效持久地獲取實(shí)時(shí)信息，能夠有效地提高救災(zāi)的效率，減少森林火災(zāi)造成的人力和經(jīng)濟(jì)上的破壞。

關(guān)鍵詞：森林防火；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH；監(jiān)測系統(tǒng)；生命周期

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0101-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

森林是人類賴以生存的重要資源，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對森林資源不斷汲取，導(dǎo)致森林資源的急劇減少，森林的重要性不言而喻[1]。森林火災(zāi)是一種破壞性極大、突發(fā)性極強(qiáng)的自然災(zāi)害，用基于改進(jìn)的LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來收集溫度、濕度、煙霧濃度、風(fēng)向風(fēng)速，然后把信息傳送到客戶端，實(shí)現(xiàn)對森林實(shí)時(shí)不間斷的監(jiān)測，同時(shí)對收集到的異常信息能夠?qū)崟r(shí)處理并作出預(yù)警，相對于傳統(tǒng)的人工巡林和瞭望，具有更高的實(shí)時(shí)性、可靠性，同時(shí)極大地節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本[2]。

因此，本文基于LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)，提出使用改進(jìn)的LEACH協(xié)議來延長其網(wǎng)絡(luò)的生命周期，對LEACH協(xié)議中成簇方式進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整簇的大小，避免了極大簇、極小簇的形成。仿真結(jié)果表明，新型成簇機(jī)制能夠有效地平衡節(jié)點(diǎn)的能耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，LEACH協(xié)議實(shí)現(xiàn)十分簡單，適用于基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)森林防火監(jiān)測系統(tǒng)。

1 森林防火監(jiān)測系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，最為關(guān)鍵的是傳感器節(jié)點(diǎn)，它承擔(dān)收集信息和傳輸信息的任務(wù)。

1.2 路由協(xié)議-LEACH協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議[3]。由于平面路由協(xié)議需要維持較大的路由表，傳感器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離有限，因而不適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。而分層路由協(xié)議不但能改善這些問題，還能減少網(wǎng)絡(luò)能耗并延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，故文中選擇分層路由協(xié)議——LEACH協(xié)議[4]。

LEACH協(xié)議是一種基于聚類的低能耗自適應(yīng)路由協(xié)議，它的工作機(jī)制是所有的節(jié)點(diǎn)輪流承擔(dān)簇頭責(zé)任。簇頭的作用是用來收集信息的，將信息匯總處理發(fā)送給下1個簇頭，直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。通常簇頭消耗的能量遠(yuǎn)大于普通節(jié)點(diǎn)，因此簇頭的輪流機(jī)制避免了簇頭過度消耗而死亡，均衡了節(jié)點(diǎn)間的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期[5]。在每一次選舉簇頭的過程中，之前已經(jīng)擔(dān)任過簇頭的不再參加選舉。

假設(shè)開始的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)在0和1之間隨機(jī)選擇1個數(shù)字，如果某個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成的數(shù)字小于T（n），則成為當(dāng)前輪的簇頭，其中T（n）的表達(dá)式如公式（1） 所示：

[Tn=p1-p×（rmod1p），? if n<G0，? otherwise ]? ?（1）

式（1） 中：r為當(dāng)前的輪數(shù)，p為節(jié)點(diǎn)中成為簇頭的百分比，G是在當(dāng)前輪之前的1/p輪中沒有當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。

2.3 無線傳感器能量模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的WSN （Wireless Sensor Network） 的節(jié)點(diǎn)通信模型及能耗公式，分別如圖1及公式2所示。

當(dāng)傳輸距離為d時(shí)， k位信息的傳輸能耗為：

[fx=kEelec+kεfsd2，? d≤d0kEelec+kεampd2，? d≥d0? ? ， εfsεamp ]? ?（2）

式（2） 中，當(dāng)[d≤d0]時(shí)，是自由空間模型，[d≥d0]時(shí)，則為多路徑衰減模型。一般情況下，簇內(nèi)計(jì)算用的是[d2]，簇間傳輸用的是[d4]，[εfs]是與接收機(jī)靈敏度有關(guān)的放大能量，[εamp]是與接收到的噪聲圖像相關(guān)的放大能量，[Eelec]是與數(shù)字編碼等因素有關(guān)的電能。

根據(jù)以上所述，接收能量消耗[Er]可以被定義為：

[Er=kEelec]? ? ?（3）

WSN的能耗主要包括傳輸能耗、接收能耗、空閑能耗、休眠能耗[7]。研究表明，接收和傳輸能耗是主要的能量損耗。此外，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，會出現(xiàn)大量的冗余節(jié)點(diǎn)，它們產(chǎn)生的空閑能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于休眠能耗，故利用休眠機(jī)制來均衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗。

2 基于改進(jìn)的LEACH協(xié)議的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)

LEACH路由協(xié)議的選舉機(jī)制有著很好的自組織性，相對于傳統(tǒng)的路由協(xié)議，能夠高效地把信息傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。但是LEACH路由協(xié)議的選舉機(jī)制也存在一定的問題，即節(jié)點(diǎn)成為簇頭取決于自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)和T（n），隨機(jī)性過大，而且沒有考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量。在實(shí)際情況下，離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇頭，在通信的過程中，比離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)消耗的能量多，在長時(shí)間的傳輸過程中更容易能量耗竭，這影響了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。極大簇會產(chǎn)生很多冗余節(jié)點(diǎn)，帶來空閑能耗，極小簇會有很大的負(fù)重，導(dǎo)致第1個節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間提前，所以要控制簇的大小，解決極大簇、極小簇的問題。

通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命根據(jù)它的作用來定義。目前其主流的3種評價(jià)方法有[8]：第1個節(jié)點(diǎn)死亡評價(jià)方法。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，第1個節(jié)點(diǎn)的死亡會影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能；一半節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間的評價(jià)。這個評價(jià)方式適合應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)密集的區(qū)域。全體節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間評價(jià)。針對本文所提出優(yōu)化的LEACH協(xié)議，考慮同時(shí)使用這3種評價(jià)方法。

在本文中，定義了3種節(jié)點(diǎn)：簇頭節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)及重心節(jié)點(diǎn)。

2.1 成簇階段

節(jié)點(diǎn)能否成為簇頭與隨機(jī)選舉機(jī)制有關(guān)，即與其產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)和T（n）有關(guān)，此時(shí)忽略了節(jié)點(diǎn)的剩余能量和距離 。而在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于距離、數(shù)據(jù)量等諸多因素影響，導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)的能量消耗程度不同。在網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間的運(yùn)行中，有些節(jié)點(diǎn)很容易過早能量耗竭，從而使選出來的簇頭不一定是最佳簇頭。針對這個問題，在選舉時(shí)，把節(jié)點(diǎn)的能量和距離考慮進(jìn)去，提出新的T（n）如式（4） ：

[Tn=p1-prmod1p*（γ1EsvEv+γ2dvdcs）] （4）

其中，Esv表示的是節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Ev表示的是所有節(jié)點(diǎn)的能量的平均值，dcs表示節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離，dv表示節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離的平均值，[γ1]和[γ2]分別為權(quán)值影響因子，[γ1+γ2=1]。

式（4） 綜合考慮了節(jié)點(diǎn)能量和距離，能夠選擇更有優(yōu)勢的節(jié)點(diǎn)成為簇頭，使其可以通過最短距離傳輸數(shù)據(jù)，從而達(dá)到能量均衡，保護(hù)剩余能量較低節(jié)點(diǎn)，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

3 結(jié)果與分析

模擬真實(shí)的森林模型，將文中優(yōu)化的LEACH協(xié)議進(jìn)行對比研究，主要比較在相同的輪數(shù)下，死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)、數(shù)據(jù)包數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)剩余能量。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)由200個節(jié)點(diǎn)組成，分布在200×200的平面范圍內(nèi)，規(guī)定節(jié)點(diǎn)的剩余能量為初始能量的10%時(shí)，節(jié)點(diǎn)死亡。文章中所有仿真圖中I-LEACH表示優(yōu)化的LEACH協(xié)議。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，柱形圖表示在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行1 500輪簇頭選舉期間，當(dāng)出現(xiàn)第1個節(jié)點(diǎn)死亡、半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡、全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，3種協(xié)議下的相應(yīng)輪數(shù)對比。其中橫坐標(biāo)是死亡節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，縱坐標(biāo)是輪數(shù)。通過仿真對比實(shí)驗(yàn)，從第1個節(jié)點(diǎn)死亡指標(biāo)來看，多維度優(yōu)化的LEACH協(xié)議比LEACH協(xié)議取得性能約54.8%的提高。從一半節(jié)點(diǎn)死亡的指標(biāo)看，多維度優(yōu)化的LEACH協(xié)議比LEACH協(xié)議延長18%的生命周期，比LEACH-C[8]延長了19%左右的生命周期。從所有節(jié)點(diǎn)死亡的指標(biāo)看，LEACH協(xié)議大約在1 200輪時(shí)就全部死亡，LEACH-C在1 100輪左右死亡了，而多維度優(yōu)化的LEACH在1 500輪左右，網(wǎng)絡(luò)壽命相較于LEACH協(xié)議提高12%，比LEACH-C[8]提高17.7%。由此可見，多維度優(yōu)化的LEACH路由協(xié)議在通過節(jié)能改善網(wǎng)絡(luò)生命周期有明顯的改善。

綜上所述，圖2在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的前期，多維度優(yōu)化的LEACH協(xié)議在傳輸相同數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上，能夠有效地推遲第1個死亡節(jié)點(diǎn)的到來，保護(hù)節(jié)點(diǎn)的生命，增加網(wǎng)絡(luò)能量。從第1個節(jié)點(diǎn)死亡到最后1個節(jié)點(diǎn)死亡可以看出網(wǎng)絡(luò)均衡能量的情況，第1個節(jié)點(diǎn)死亡越遲，反映出網(wǎng)絡(luò)使用能量高效。而最后1個節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，可以看出多維度優(yōu)化后的LEACH 協(xié)議有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由此可見，多維度優(yōu)化的LEACH路由協(xié)議在通過節(jié)能改善網(wǎng)絡(luò)生命周期有明顯的改善。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的中后期，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)幾乎都是在同一時(shí)刻能量耗盡，提高能量的使用效率，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

4 結(jié)論與討論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林火災(zāi)和環(huán)境監(jiān)控中有著比傳統(tǒng)的3S技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢，本文主要是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防控的系統(tǒng)，著重通過加入優(yōu)化的LEACH路由協(xié)議來延長整個系統(tǒng)的生命周期。通過仿真對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的優(yōu)化協(xié)議在存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)的剩余能量等方面都具有較大優(yōu)勢。但是該系統(tǒng)未能用于實(shí)際林區(qū)的現(xiàn)場測試，今后的研究目標(biāo)是把這個系統(tǒng)應(yīng)用于森林之中，通過在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的不足，對系統(tǒng)加以改進(jìn)、完善，進(jìn)而能應(yīng)用于真正的森林中，能夠?qū)ι只馂?zāi)進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，保護(hù)我國寶貴的森林資源。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪東，周愛民，叢靜華，等.基于大數(shù)據(jù)的森林防火管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（11）：30-37.

[2] 姚雪梅.關(guān)于國內(nèi)外森林防火技術(shù)現(xiàn)狀分析及趨勢探討[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2016，36（6）：173，213.

[3] BOUABDELLAH K，NOUREDDINE H，LARBI S.Using wireless sensor networks for reliable forest fires detection[J].Procedia Computer Science，2013，19：794-801.

[4] KAUR A，GROVER A.LEACH and extended LEACH protocols in wireless sensor network-a survey[J].International Journal of Computer Applications，2015，116（10）：1-5.

[5] CUI Z H，CAO Y，CAI X J，et al.Optimal LEACH protocol with modified bat algorithm for big data sensing systems in Internet of Things[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2019，132：217-229.

[6] BHATIA T，KANSAL S，GOEL S，et al.A genetic algorithm based distance-aware routing protocol for wireless sensor networks[J].Computers & Electrical Engineering，2016，56：441-455.

[7] 郄修塵.基于周期性異步休眠模式的云虛擬機(jī)分簇調(diào)度策略及性能研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2019.

[8] 牛偉偉，高鐵杠.LEACH-C協(xié)議中模擬退火算法的改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（6）：1869-1872，1917.

【通聯(lián)編輯：唐一東】